CN111830598B - 一种节能型降水监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气象电子测量设备，特别涉及一种节能型降水监测装置。该降水监测装置包括由上至下依次设置的承雨装置、蓄水装置、测量装置、控制装置；控制装置设置在测量装置的下部，控制装置中集成有无线通讯模块、控制模块、声表面波器件，无线通讯模块包含微型天线，无线通讯模块与外部发射的脉冲信号能量耦合，测量装置与声表面波器件共同构成一个声表面波感应回路，声表面波器件由压电层和叉指电极组成，其中压电层为复合层，叉指电极设置在压电基板上，叉指电极之间设有隔离膜，叉指电极由铝铜合金制成，其中设有铜浓度梯度过渡层。该设计可去除或减少电池供电，延长降水监测装置的使用寿命，提高测量的准确度。

Description

一种节能型降水监测装置

技术领域

本发明涉及气象电子测量设备，尤其涉及一种节能型降水监测装置。

背景技术

降水监测装置是气象领域观测降水量的基本设备，按照计量雨量的方式主要分为机械式和传感器式，机械式例如包括容栅式、浮子式、虹吸式、翻斗式等，机械式降水监测装置结构简单，执行计量机构不用电、可靠性高、功耗低，但在小雨量时不灵敏，测量范围有限，测量精度较差。传感器式降水监测装置通常采用传感器，例如液位传感器、压力传感器等测量雨量，具有测量范围广、测量精度高、反应灵敏、自动化程度高的优点，但是传感器需要附带电池供电，以满足测量、信号调制、无线通信等需求，因而电池的工作寿命必须满足一定的标准和要求，但由于户外的长期使用，导致电池电量快速消耗，制造、更换电池所带来的环境污染也是一个不可忽视的因素。另外，传感器受外界温度影响较大，降水监测装置常布置在户外，容易受到外界扰动，导致测量值易出现较大的偏差。

在实践中，要求配套稳定可靠的降水监测装置，要求降水监测装置使用寿命长、耐候性好、测量准确。因此，设计一种可满足实际需求的降水监测装置成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有设备的不足，本发明提供了一种使用寿命长、耐候性好、测量准确的节能型降水监测装置。

为实现上述目的，本发明公开的降水监测装置包括：

由上至下依次设置的承雨装置、蓄水装置、测量装置、控制装置；承雨装置设置在蓄水装置的上部，其收集雨水并将雨水通过单向进水阀引流入蓄水装置中；测量装置设置在蓄水装置底部中心位置，其能够实时检测蓄水装置内的水量；蓄水装置固定在支撑架上，其底部边缘设置有与控制装置电连接的排水阀；测量装置设置在蓄水装置的底部中心位置，测量装置为两层板式结构，由上到下依次布置有上层板、下层板，上层板上设置有可弹性变形的上电极，下层板设置有下电极，上电极、下电极组合构成电容器；控制装置设置在测量装置的下部，控制装置中集成有无线通讯模块、控制模块、声表面波器件，无线通讯模块包含微型天线，无线通讯模块与外部发射的脉冲信号能量耦合，电容器与声表面波器件共同构成一个声表面波感应回路；

声表面波器件由压电层和叉指电极组成，其中压电层为复合层，由上到下依此为压电基板、第一支撑层、第二支撑层、第三支撑层；第三支撑层的热膨胀系数小于压电基板，第一支撑层的声阻抗小于压电基板的声阻抗；第三支撑层远离压电基板的表面为凹凸结构，凹槽斜面与第三支撑层平面的夹角为45-60度，凹凸表面的厚度占第三支撑层总厚度的1/5至1/3；

叉指电极设置在压电基板上，并且第一隔离膜设置在叉指电极之间，第二隔离膜以覆盖叉指电极的侧面的方式设置在叉指电极与第一隔离膜436之间，在叉指电极与第一隔离膜上设置绝缘的第三隔离膜，在第三隔离膜上设置第四隔离膜；叉指电极由铝铜合金制成，其分为上、中、下三段，并各占叉指电极的厚度的1/3，下段的铜浓度保持在3重量％，中段为过渡段，从下到上铜浓度从3重量％梯度降低至0重量％，上段全部由铝制成。

具体地，排水阀为电磁阀。

压电基板是选自钽酸锂、铌酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶晶体、硼酸锂、氧化锌、氮化铝和硅酸铝中的一种或多种制成。

第一支撑层由SiO₂膜构成。

第三支撑层由选自硅、蓝宝石、氮化铝、氧化铝、硼硅酸盐玻璃和石英玻璃中的一种制成。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明涉及的一种降水监测装置示意图；

图2为降水监测装置的测量装置和声表面波器件的示意图；

图3为声表面波器件的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图1示出了本发明实施例，一种降水监测装置，包括由上至下依次设置的承雨装置1、蓄水装置2、测量装置3、控制装置4。承雨装置1设置在蓄水装置2的上部，其收集雨水并将雨水通过单向进水阀引流入蓄水装置2中；测量装置3设置在蓄水装置2底部中心位置，其能够实时检测蓄水装置2内的水量。

蓄水装置2固定在支撑架上，其底部边缘设置有与控制装置4电连接的排水阀21，具体地，排水阀21为电磁阀。在蓄水装置2中的水量达到触发量或者单次测量结束后，控制装置4可控制打开排水阀21，将蓄水装置2中收集的雨水排放掉，因此该降水监测装置适用于从小雨到特大暴雨等各种雨量范围的测量。在一个实施方式中，为了减少排水阀21的频繁开闭，排水阀21在测量过程中保持常闭。

测量装置3设置在蓄水装置2的底部中心位置，测量装置3为两层板式结构，由上到下依次布置有上层板31、下层板32。上层板31上设置有可弹性变形的上电极33；下层板32设置有下电极35。上电极33、下电极35组合构成电容器34，用于实现雨量测量。

控制装置4设置在测量装置3的下部，控制装置4中集成有无线通讯模块41、控制模块42、声表面波器件43，无线通讯模块41包含微型天线，电容器34与声表面波器件43共同构成一个声表面波感应回路，电容器34作为回路的载荷端。降水监测装置通过无线通讯模块41与外部发射的脉冲信号能量耦合，将外部发出的电能耦合为降水监测装置所需工作能量，从而去除或减少电池供电，提高了降水监测装置的工作寿命。当控制装置4中的无线通讯模块41接收到外部工作脉冲信号，声表面波器件43从天线耦合中的高频信号中获取所需能量，并开始在声表面波器件43上产生振荡声波场，声波场传播至作为载荷端的电容器34后，重新变化为测量装置的振荡信号，用于雨量测量。当降水产生的水压作用下，上层板31发生弹性变形，此变形引起电容器34的电容变化；电容器34作为声表面波感应回路的载荷端，其数值变化直接导致测量装置输出包含雨量变化的信息；该信息经过声表面波器件43变换为电信号，传送至控制模块42并处理。

声表面波器件43由压电层430和叉指电极431组成，其中一组叉指电极与无线通讯模块41中的微型天线相连，用于能量耦合和通讯，为通讯端；另外一组叉指电极与电容器34相连，为测量端。当天线耦合后在声表面波器件43上产生振荡声场，声场在另一边重新变化为高频电场振荡，电容负载的变化直接影响到高频电场振荡特性。最终，高频电场重新经过声表面波器件43和无线通讯模块41，发送回控制模块42处理。

压电层430为复合层，由上到下依此为压电基板432、第一支撑层433、第二支撑层434、第三支撑层435。第三支撑层435的热膨胀系数小于压电基板432，通过使用第三支撑层435，当温度变化时，压电基板432的膨胀和收缩也通过支撑衬底的作用而受到抑制，从而减小温度对整体测量结果的扰动。第二支撑层434采用石墨或其他声音在其中传播较快的材料制成，声音在第二支撑层434具有较高的传播速度，通过使用第二支撑层434可以保证声波的传播速度。第一支撑层433的声阻抗小于压电基板432的声阻抗，在第二支撑层434和压电基板432之间插入第一支撑层433，可以避免第二支撑层和压电基板432的直接接触，从而减少了压电基板432的界面处的声波反射，由此可以防止压电基板432的表面破裂，提高声表面波器件43的使用寿命。压电基板432是选自钽酸锂、铌酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶晶体、硼酸锂、氧化锌、氮化铝和硅酸铝中的一种或多种制成。第一支撑层433由SiO₂膜构成，第三支撑层435由选自硅、蓝宝石、氮化铝、氧化铝、硼硅酸盐玻璃和石英玻璃中的一种制成。

第三支撑层435远离压电基板432的表面为凹凸结构，凹槽斜面与第三支撑层435平面的夹角a为45-60度，凹凸表面的厚度h占第三支撑层435总厚度的1/5至1/3。在通讯端激励的多余的声波向第三支撑层435传播，在第三支撑层435反射并被测量端接收之后，在频率特性中可能会产生扰动，通过第三支撑层435表面的凹凸结构，入射到第三支撑层435上的多余的声波被漫反射，从而使到达通讯端的反射波变弱，抑制由于反射引起的测量干扰。

叉指电极431设置在压电基板432上，并且第一隔离膜436设置在叉指电极431之间，第二隔离膜437以覆盖叉指电极431的侧面的方式设置在叉指电极431与第一隔离膜436之间。在叉指电极431与第一隔离膜436上设置绝缘的第三隔离膜438，在第三隔离膜438上设置第四隔离膜439。第一隔离膜436和第四隔离膜439由相同的材料形成，但是它们可以由不同的材料形成，通过使用第一隔离膜436和第四隔离膜439，可以抑制由于温度引起的声表面波器件43的特性变化。第二隔离膜437与下部的压电基板432以及上部的第三隔离膜438均设置有预定的间隙(未示出)，在该间隙中，叉指电极431侧壁部的表面在第一隔离膜436与压电基板432之间露出。本发明中的第二隔离膜437是通过对叉指电极进行阳极氧化形成的阳极氧化膜。

叉指电极431由铝铜合金制成，其分为上、中、下三段，并各占叉指电极431的厚度的1/3，下段的铜浓度保持在3重量％，中段为过渡段，从下到上铜浓度从3重量％梯度降低至0重量％，上段全部由铝制成。通过在叉指电极431中使用梯度铜，可以在不显著增加比电阻的情况下改善功率电阻，从而提高声表面波器件的使用寿命。

控制模块42包括逻辑单元420、计量单元421和存储单元422。逻辑单元420根据内设程序设定进行逻辑控制，包括排水阀21、单向进水阀11的开与关。逻辑单元420内置模糊化模块，计算测量电容C与测量电容C相对时间t的变化率即dC/dt之间的模糊关系，当逻辑单元420监测到dC/dt为正时，逻辑单元420判断降水仍在进行，保持排水阀21关闭；当逻辑单元420监测到dC/dt为零时，逻辑单元420判断降水停止，测量结束，则打开排水阀21，此时dC/dt从零变为负值，若dC/dt随着时间的变化曲线与正常排水曲线一致，则保持排水，直至C降至初始电容，dC/dt重新变为零，则关闭排水阀21；若dP/dt出现曲线上跃迁，即压力降低的幅度比正常排水时小，则说明排水时突然出现降雨，模糊化模块将排水阀21关闭，启动测量程序。通过前述逻辑控制可减少排水阀21的开闭的次数，可以极大地提高排水阀21的使用寿命。

计量单元421主要用于降雨量的数值计算，将测得的电容值换算成实时雨量值，其采用采用定向递增算法处理降水量，当降水监测装置因蒸发或排水等原因而造成的降水监测装置测量电容下降时，计算处理系统会作为零值处理，保持原降水量值，并通过内置的稳定模块，降低水面波动对雨量测量的干扰。计量单元421一旦检测到压强降低，依靠内部电容的储电量，立即将当前的降雨量等相关信息保存至存储单元422，在电容降低和不变期间，计量单元421停运，其内部的计量信息不会发生改变，即使没有额外的电池供电，计量单元421仍能正常存储降水监测装置的雨量信息，只要没有新的刷新操作，它会长期保持不变。电源恢复后，降水监测装置的计量单元421从存储单元422中读出在断电时刻保存的信息，复原断电时刻的运行上下文环境，对于新产生的雨量在原值基础上进行累加。

本发明的节能型降水监测装置其使用寿命长、耐候性好、测量准确，其不需要使用电池或更换电池的频率较低。

Claims (5)

1.一种节能型降水监测装置，包括由上至下依次设置的承雨装置、蓄水装置、测量装置、控制装置；承雨装置设置在蓄水装置的上部，其收集雨水并将雨水通过单向进水阀引流入蓄水装置中；测量装置设置在蓄水装置底部中心位置，其能够实时检测蓄水装置内的水量；蓄水装置固定在支撑架上，其底部边缘设置有与控制装置电连接的排水阀；测量装置为两层板式结构，由上到下依次布置有上层板、下层板，上层板上设置有可弹性变形的上电极，下层板设置有下电极，上电极、下电极组合构成电容器；控制装置设置在测量装置的下部，控制装置中集成有无线通讯模块、控制模块、声表面波器件，无线通讯模块包含微型天线，无线通讯模块与外部发射的脉冲信号能量耦合，电容器与声表面波器件共同构成一个声表面波感应回路；

声表面波器件由压电层和叉指电极组成，其中压电层为复合层，由上到下依此为压电基板、第一支撑层、第二支撑层、第三支撑层；第三支撑层的热膨胀系数小于压电基板，第一支撑层的声阻抗小于压电基板的声阻抗；第三支撑层远离压电基板的表面为凹凸结构，凹槽斜面与第三支撑层平面的夹角为45-60度，凹凸表面的厚度占第三支撑层总厚度的1/5至1/3；

叉指电极设置在压电基板上，并且第一隔离膜设置在叉指电极之间，第二隔离膜以覆盖叉指电极的侧面的方式设置在叉指电极与第一隔离膜之间，在叉指电极与第一隔离膜上设置绝缘的第三隔离膜，在第三隔离膜上设置第四隔离膜；叉指电极由铝铜合金制成，其分为上、中、下三段，并各占叉指电极的厚度的1/3，下段的铜浓度保持在3重量％，中段为过渡段，从下到上铜浓度从3重量％梯度降低至0重量％，上段全部由铝制成。

2.根据权利要求1所述的一种节能型降水监测装置，其特征在于，排水阀为电磁阀。

3.根据权利要求1或2所述的一种节能型降水监测装置，其特征在于，压电基板是选自钽酸锂、铌酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶晶体、硼酸锂、氧化锌、氮化铝和硅酸铝中的一种或多种制成。

4.根据权利要求1或2所述的一种节能型降水监测装置，其特征在于，第一支撑层由SiO₂膜构成。

5.权利要求1所述的一种节能型降水监测装置，其特征在于，第三支撑层由选自硅、蓝宝石、氮化铝、氧化铝、硼硅酸盐玻璃和石英玻璃中的一种制成。

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